鍛件伺服成形的節能節材與智能數控技術（上）

文/趙婷婷·山東理工大學

賈明全，袁德超·山東科匯電力自動化有限公司

崔來勝·淄博奧瑞科機電科技有限公司

鍛件伺服成形的節能節材與智能數控技術（上）

文/趙婷婷·山東理工大學

賈明全，袁德超·山東科匯電力自動化有限公司

崔來勝·淄博奧瑞科機電科技有限公司

傳統鍛壓成形工藝采用錘或老式壓力機，重復精度差、可控性差、鍛件飛邊大、加工余量大、能耗高，難以實現近凈成形，存在嚴重的耗能耗材問題。鍛壓行業是工業的重要基礎產業，近凈成形與節能節材是鍛壓行業的發展目標。

為了實現近凈成形，提升鍛壓行業的技術水平，滿足節能節材、智能信息化、數控自動化和工業互聯網的需求，必須發展新型鍛壓裝備技術。為此，國家提出了發展伺服壓力機的行業規劃與目標。國家《工業節能“十二五”規劃》中，“機械行業重點工藝和產品節能措施與目標”，針對鍛壓行業的規劃是：“發展直驅式螺旋壓力機及鍛造與沖壓數字化伺服壓機技術”，“推廣冷鍛設備、近凈成形鍛造等工藝”。國家《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄》把“智能化成形和加工成套設備”列入發展規劃，要求“加快傳統生產設備的數字化、智能化、網絡化改造”，“加快傳統產業技術創新，發展低能耗高附加值產業。加大先進技術、工藝和裝備的研發，加快運用高新技術和先進適用技術改造提升傳統產業裝備水平，促進信息化和工業化深度融合”。

在國家政策的支持下，山東科匯電力自動化有限公司和山東理工大學聯合壓力機生產企業，研發了開關磁阻伺服壓力機及其伺服成形技術。開關磁阻伺服壓力機從無到有，目前已經研發的噸位從63t到4000t，包括了直驅和電機減速直驅等螺旋、曲柄各系列機型，所開發的伺服成形技術獲得大規模應用，取得了顯著的節能節材、智能數控自動化的社會效益和經濟效益。

采用開關磁阻伺服鍛壓裝備進行伺服成形、智能成形、近凈成形，取代陳舊壓力加工設備和傳統生產方式，能夠有效解決傳統鍛壓行業的耗能耗材問題。

耗能耗材問題分析

耗能的原因是主機設備能耗大，耗材的原因是鍛件飛邊大和加工余量大。傳統鍛壓工藝采用錘或老式壓力機，鍛件飛邊大、加工余量大，模具壽命低，能耗高。

鍛件飛邊問題

鍛件飛邊是影響耗材的主要因素。鍛件飛邊大，耗材大；鍛件飛邊小或無飛邊，耗材低，節材效果顯著。影響鍛件飛邊大小的因素主要有設備、模具和坯料。

⑴設備問題。鍛壓設備按主運動形式，可分為直線運動設備和旋轉運動設備。直線運動設備有錘和壓力機之分；旋轉運動設備有軋機、輥鍛機、旋壓機等。傳統鍛壓設備由老式電機驅動，主運動可控性差，成形精度低。錘類設備的壓力重復性差、沒有頂出系統，是造成鍛件飛邊大的主要原因。

⑵模具問題。模具按主運動形式，可分為直線運動模具和旋轉運動模具。直線運動的鍛造模具有開式鍛模、閉式鍛模、閉塞鍛模和擠壓模具等；旋轉運動的鍛造模具有輥鍛模、楔橫軋模等。開式鍛模，鍛件飛邊很大，材料利用率低，材料浪費嚴重。

⑶坯料問題。坯料的下料分為有屑和無屑兩類。有屑下料鋸口損失1～5mm，效率低，耗材大，材料浪費嚴重。

鍛件加工余量問題

鍛件加工余量大，需要安排粗加工、半精加工、精加工，浪費巨大的人力、物力、財力。減小鍛件加工余量，實現近凈成形，不僅節約鍛件耗材，同時節約后續切削加工，直接促進零配件生產方式的變革，是節能節材的發展目標。影響鍛件加工余量的因素主要有設備、模具和坯料，包括設備壓力精度、模具磨損程度和坯料精度。

⑴設備壓力精度問題。對于相同鍛件，壓力越大，鍛件變形量越大，壓力越小，鍛件變形量越小。傳統鍛壓設備，不具備壓力可控功能，造成相同鍛件的變形量大小不一、鍛件精度低，鍛件加工余量大。

⑵模具磨損程度問題。模具磨損程度越小，鍛件精度越高，鍛件加工余量越小。模具安裝在設備上，除了工件變形產生磨損之外，設備壓力過載是導致模具磨損和報廢的主要因素。因此，設備壓力可控是降低模具磨損程度的重要保障。傳統鍛壓設備，不具備壓力可控功能，造成壓力過載，易導致模具磨損和報廢。

⑶坯料精度問題。坯料精度越高，則鍛件精度越高。精準下料和少無氧化加熱才能保證鍛件精度高，鍛件加工余量小。鋸床下料，鋸條存在磨損現象，難以保證下料精度。

能耗問題

鍛壓生產過程中，除了加熱能耗大之外，主機耗能是能耗的另一主要部分，降低主機運動能耗是節能的關鍵。

傳統鍛壓設備因驅動系統不具備控制能力，不得不通過機械方式進行操控，機械操控存在摩擦損失，導致主運動耗能大。圖1以摩擦壓力機為例，進行能耗問題分析。

圖1 摩擦壓力機

滑塊在下止點附近時，飛輪的位置在摩擦盤半徑的最大點，壓下瞬間，摩擦盤保持功率輸出，而滑塊與飛輪速度為0，此時的能量損失為100%，后續飛輪線速度逐漸接近摩擦盤線速度，速度增大。從100%能量損失到速度接近一致的過程中，摩擦消耗的能量接近50%。因此，摩擦壓力機在運行過程中飛輪和摩擦盤產生嚴重打滑，耗能嚴重。

節能節材途徑—伺服成形與智能數控技術

節能的目標是降低主設備的能耗；節材的目標是近凈成形，即減小鍛件飛邊和鍛件加工余量。節能節材的目標可以通過對成形的有效控制即伺服成形來實現。

伺服成形是指在伺服壓力機上成形。壓力機有曲柄壓力機、螺旋壓力機和液壓機等，伺服壓力機也可分為伺服螺旋壓力機、伺服曲柄壓力機和伺服液壓機。伺服壓力機是由計算機控制的伺服電機驅動的壓力機，伺服電機可分為有永磁體的伺服電機和無永磁體的開關磁阻伺服電機?？紤]到鍛壓工況屬于沖擊性負載，劇烈沖擊對永磁體壽命影響嚴重，因此，壓力機的伺服電機應選用無永磁體的開關磁阻伺服電機。

伺服曲柄壓力機及其智能數控技術

開關磁阻伺服曲柄壓力機分有離合器式和無離合器式兩種，伺服電機的旋轉運動通過曲柄連桿工作機構轉化成滑塊的直線運動，通過數控電機運動，實現滑塊運動特性的數字化控制。

無離合器式開關磁阻伺服曲柄壓力機是在傳統的曲柄壓力機上，摒棄飛輪和離合器等耗能部件，用計算機控制的開關磁阻伺服電機替代傳統電動機，通過曲柄連桿執行機構將電機的旋轉運動轉化為滑塊的直線運動，在不改變工作機構的前提下，利用伺服控制技術數控滑塊運動特性曲線，對滑塊的運動進行閉環控制，實現滑塊運動特性可控，徹底解決壓力機的故障問題，更好地滿足沖壓加工高效節能、智能數控和高可靠性的需求。

開關磁阻伺服曲柄壓力機與傳統曲柄壓力機結構不同之處是可以沒有飛輪、離合器、平衡缸及其控制系統。結構組成為：開關磁阻伺服電機經過減速驅動曲柄連桿滑塊運動；電機軸設置電磁制動器，電機軸與曲軸端設置位置傳感器；制動器和位置傳感器連接電機控制器（圖2）。開關磁阻伺服電機減速驅動曲軸旋轉，通過曲柄連桿機構獲得滑塊的直線運動；通過控制伺服電機的轉速和扭矩，使滑塊的運動特性曲線可調；通過角位移傳感器，實現滑塊的位移和速度反饋控制。

圖2 伺服曲柄壓力機原理圖

結構件的連接關系為：伺服電機輸出軸連接齒輪減速傳動，繼而連接曲柄機構。

工作原理為：開關磁阻伺服電機在滑塊上止點起動，以大起動轉矩由零速加速旋轉，通過減速傳動帶動曲柄連桿滑塊運動，電機在起動加速過程提供的能量儲存于系統轉動慣量，壓力行程時，電機速降釋放能量E，能量E大于等于額定工作能量Eg，實施沖壓；位置傳感器給出滑塊上止點的位置，通過電機控制器傳給伺服電機。單擊狀態下，當滑塊靠近上止點時，伺服電機減速，制動器實施制動，滑塊停在上止點，電機制動能量反饋利用，完成一個工作循環。

伺服螺旋壓力機及其智能數控技術

開關磁阻伺服螺旋壓力機分直驅式（圖3）和減速直驅式兩種，按螺桿運動形式，分為螺桿螺旋運動式和螺桿定軸轉動式。伺服電機的旋轉運動通過螺旋副工作機構轉化成滑塊的直線運動，通過數控電機運動，實現滑塊運動特性的數字化控制。只要控制電機轉速即可實現打擊能量和打擊力的數字化智能化控制（圖4）。

圖3 開關磁阻伺服直驅式螺旋壓力機結構

圖4 打擊能量和打擊力數控原理

伺服螺旋壓力機工作原理為：通過觸摸屏輸入每次打擊的電機轉速和滑塊行程，按下啟動按鈕后，PLC可編程控制器發出開關信號，松開制動器、啟動KSC控制器，電機接到KSC控制器的啟動控制信號及其轉速信號，帶動螺桿螺旋運動，慣量加速積蓄電機提供的能量，利用積蓄的能量壓制工件。打擊結束后，電機反轉返回，脈沖信號和行程開關信號給控制系統，電機與制動器實施制動。

小常識

電動螺旋壓力機使用

設備安裝調試運行后一周需要完成的工作

⑴檢查強制潤滑油泵供油壓力，保證供油正常，檢查導軌油泵供油量及每個導軌的供油情況。

⑵壓力機本體所有的連接螺栓緊固一遍。

生產過程中每班檢查項目

⑴油泵供油壓力正常，油箱油位保持在正常位置（停機后滑塊停止在出模位，油箱油位保持在中上部位）。

⑵檢查滑塊導軌間隙，螺栓緊固（滑塊導軌間隙在0.2mm以內）。

⑶檢查皮帶松緊度。

⑷檢查電機架、電機、剎車架、剎車氣缸、剎車氣缸接頭等所有螺栓的緊固情況。

⑸檢查氣源處理器的油杯油位、水位。油杯內正常保持有油，氣缸工作時保證潤滑油能混入到壓縮空氣管路中。

⑹檢查機身導軌油泵油位、供油情況。間隔供油時間為每小時一次，一次供油20s。調試好機身分油器，保證每條立柱導板都有潤滑油流出。